一種簡易睡眠呼吸暫停檢測儀設(shè)計

鐘 怡

（杭州市第一人民醫(yī)院城北院區(qū)（杭州市老年病醫(yī)院），杭州 310000）

睡眠呼吸暫停綜合征（SAS）指每晚7 h的睡眠中，每次發(fā)生呼吸暫停大于10 s，呼吸暫停反復發(fā)作大于30次，或者睡眠呼吸暫停低通氣指數(shù)（AHI）大于5次。一般分為三型：阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征OSAS、中樞性SAS和混和型SAS，以O(shè)SAS最常見[1]。

SAS作為一種近年來才被重視的疾病，經(jīng)各國的流行病學調(diào)查，都表明了睡眠呼吸暫停綜合征在人群中發(fā)病率比較高。其中最為常見的阻塞性睡眠呼吸暫停綜合征發(fā)病原因有很多種，與家族遺傳、肥胖、性別、生活習慣、內(nèi)分泌與代謝性疾病等有密切關(guān)系[2]。

SAS患者睡眠時頻發(fā)睡眠暫停是由于呼吸道的阻塞、不全阻塞周期性反復出現(xiàn)，導致局部炎癥、呼吸器官的損傷。這些病理生理變化可能引發(fā)慢性阻塞性肺疾病、支氣管炎、肺心病、呼吸衰竭和夜間哮喘等[3]。

由此可見，睡眠呼吸暫停綜合征的危險因素非常多，所以當夜晚患者發(fā)生呼吸暫停時，醫(yī)護人員應當及時采取措施，否則將造成不堪設(shè)想的后果。因此，作者嘗試制作出一種便攜式，成本便宜的睡眠呼吸暫停檢測儀，以方便患者發(fā)病時能得到及時搶救。

1 睡眠呼吸暫停檢測儀的研究現(xiàn)狀

太原理工大學的白鳳娥等[4]采用了MSP430F149單片機作為控制核心，設(shè)計了一種體積小、低耗能、成本低的睡眠呼吸暫停監(jiān)護儀，并且是利用壓差型硅壓阻式傳感器26PCBFA6D來采集呼吸信號的。國外學者Giovanna等[5]設(shè)計出了一種十分廉價的便攜式的睡眠呼吸暫停監(jiān)護儀，利用心電圖可穿戴傳感器收集單通道ECG（electrocardiogram，心電圖）數(shù)據(jù)并發(fā)送到移動設(shè)備，將該數(shù)據(jù)進行HRV（Heart rate variability，心率變異性）分析，通過離線的微分進化算法，進行HRV-related參數(shù)計算，從而達到檢測睡眠呼吸的作用。2015年中國醫(yī)科大學的于璐等[6]嘗試著利用呼吸音來監(jiān)測呼吸，開拓了一種新的呼吸信號檢測方法。2017年，R.E.Rolón等[7]學者還指出通過脈搏血氧測量呼吸信號是非常有價值的，可以用于估算低通氣指數(shù)。人的胸腔好似一段容積導體，當人在呼吸的時候腹腔會有周期性的形變，而肺內(nèi)氣體的容量與呼吸阻抗有關(guān)，人呼吸時胸腔的輪廓在變，相應地，呼吸阻抗也不斷變化，所以郭群恩等[8]研究出了利用阻抗法（包括恒流法、恒壓法和電橋法）的一種檢測方法。

另外，除了檢測呼吸信號的方式，有學者也對信號的傳輸方式作了研究。第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程系和藥學系的申廣浩等[9]共同研究出了一個無線監(jiān)護系統(tǒng)，其包括了社區(qū)監(jiān)護終端和家庭數(shù)據(jù)采集端。家庭數(shù)據(jù)采集端是將經(jīng)過調(diào)制后的呼吸信號通過ZigBee無線發(fā)送單元以射頻的方式來給到接收單元。社區(qū)監(jiān)護終端也是基于ZigBee的方式，CC243接收到數(shù)據(jù)信號后MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232的標準電平，之后再通過RS-232向PC端輸入數(shù)據(jù)。運用近程無線網(wǎng)絡技術(shù)將呼吸信號進行無線傳播。

2 設(shè)計內(nèi)容

2.1 設(shè)計原理

本文是利用呼吸音檢測法（即音頻檢測法）采集呼吸信號的。呼吸音是人呼吸時，氣流通過呼吸道和肺泡，產(chǎn)生湍流引起振動，發(fā)出聲響，通過肺組織及胸壁傳至體表的聲音，因此，可以把音頻傳感器放置于人體的鼻腔或口腔內(nèi)，可拾取氣流直接沖擊傳感器的聲音信號，或者放在胸前氣管處即可拾取氣管音信號，并且所得到的信號與氣流急緩有關(guān)。這種方法簡單又安全。

2.2 系統(tǒng)硬件內(nèi)容設(shè)計

實驗通過駐極體話筒采集到呼吸信號，將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栞敵?，將該電壓信號通過三極管放大，輸入到LM393電壓比較器進行波形處理，處理成方波波形，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進入單片機，作為1個中央處理系統(tǒng)MCU，將由該信號判斷是否發(fā)生了睡眠呼吸暫停，若發(fā)生了超過10 s的呼吸暫停，則進行聲光報警，同時將信號以方波的形式在TFT彩屏上顯示。此外，用電源給整個系統(tǒng)供電。系統(tǒng)整體流程圖如圖1所示。本系統(tǒng)涉及多個模塊，信號采集與預處理、報警單元、顯示部分等等。

圖1 系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計總流程

2.2.1 控制系統(tǒng)

在考慮了性能和成本等各方面的因素后，采用了51系列的STC12C5A60S2單片機，這款單片機和8051的指令、管腳完全兼容，而且片內(nèi)存在的大容量程序存儲器是FLASH工藝的，其低功耗、高速和抗干擾能力超強，并且集成度高，被廣泛應用。

2.2.2 音頻信號采集

呼吸信號由音頻傳感器駐極體采集，由其作為1個電壓信號輸入系統(tǒng)。此次選用4015帶線駐極體咪頭，其體積小，可以安置在鼻孔中。但駐極體音頻采集過后的輸出電壓十分微弱，僅為毫伏級，需放大該微弱信號。信號放大電路的原理圖如圖2所示。由于對放大倍數(shù)及精度要求不高，所以采用了一級8050NPN三極管Q2，由其作為此電路中1個放大電路的主要部分。其中C4是去耦電容，其把輸出信號的干擾作為濾除對象。去耦電容用在放大電路中不需要交流的地方，用來消除自激，使放大器穩(wěn)定工作。去耦電容主要去除高頻如RF信號的干擾，C3起到的作用也是一樣的。此外，C2作為1個耦合電容用于隔離直流信號。

圖2 信號輸入單片機原理圖

2.2.3 信號波形處理

設(shè)計使用LM393芯片作為電壓比較器將輸出信號波形處理成同頻率的方波，其內(nèi)部是一個雙電壓比較器。當信號經(jīng)過放大濾波電路之后，直接連接LM393芯片，由于LM393是集電極開路，所以在輸出端加了上拉電阻，使其能夠輸出高電平。當無呼吸作用時，呼吸信號電壓Uo小于參考電壓Ur，輸出高電平。進行呼吸交替觸發(fā)時，出現(xiàn)下降沿，呼吸信號電壓Uo大于參考電壓Ur，輸出低電平。低電平時液晶屏上不顯示方波，是一條直線，有呼吸作用時，代表呼吸信號觸發(fā)高電平，液晶屏上顯示方波波形。信號從LM393芯片出來后，進入ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片上的DO端和DI端并聯(lián)在1根數(shù)據(jù)線上使用，因為DI和DO作為數(shù)據(jù)端口在通信時并未同時有效并且和單片機的借口是雙向的，所以可以將其連接。這樣就完成了整個信號輸入的過程。

2.2.4 屏幕液晶顯示

液晶的顯示用TFT彩屏，分辨率為240×320像素，并且操作簡單，其每一個像素點都是由集成在其后的薄膜晶體管來驅(qū)動的，這樣不僅提高了顯示屏的響應速度，同時可以精確控制顯示色階，所以TFT液晶的色彩更逼真。TFT液晶模塊可以顯示數(shù)字、中英文字符和圖案。彩色圖案分辨率較高。此次選用的TFT彩屏的型號是TJC3224T022_011N，只有4個引腳，只占用了單片機的2個I/O口，分別連接單片機的TXD發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，RXD接收數(shù)據(jù)引腳。其只有2.2寸，與單片機連接，非常便于攜帶。可以在USART HMI[10]上位軟件上燒寫固件，之后再對應的輸入串口命令，就能在TFT彩屏上顯示方波波形。

2.2.5 報警單元設(shè)計

報警單元的功能是當病人發(fā)生了呼吸暫停時，使患者自己能夠從睡眠中驚醒，或者患者周圍的人能夠通過該報警及時發(fā)現(xiàn)病人的情況，以防患者出現(xiàn)意外。報警電路原理如圖3所示，其中8550PNP三極管Q1充當1個開關(guān)電路，圖3中Q1的1腳和2腳相當于1個二極管，2腳為低電平時，1腳和3腳直接導通，實現(xiàn)開關(guān)的作用。并且，電路采用了+5 V的蜂鳴器元件和紅色的LED燈元件。蜂鳴器發(fā)出的聲音刺耳且響亮，起到警示作用，而紅色LED燈亮代表正在報警的狀態(tài)。

圖3 報警電路原理圖

2.2.6 電源模塊

計算機的USB接口的輸出電壓都約為5 V[11]，而這次實驗所有芯片的供電電壓都可以是5 V，所以，利用USB轉(zhuǎn)DC電源線和DC座給整個系統(tǒng)供電。

2.3 系統(tǒng)軟件內(nèi)容設(shè)計

2.3.1 主程序流程

主程序流程圖根據(jù)實驗的總體需求來設(shè)計，如圖4所示，先檢測是否有呼吸信號輸入，檢測到的話直接向串口發(fā)送高波形，并且不作報警；沒有檢測到的話先直接向串口發(fā)送低波形，再繼續(xù)判斷沒有檢測到呼吸的時間是否超過了10 s，若沒有到達10 s則繼續(xù)檢測，若超過則進行呼吸暫停報警。

圖4 主程序流程圖

2.3.2 顯示模塊

在USART HMI上位軟件上設(shè)計了TFT串口彩屏的界面，HMI串口的界面設(shè)計非常簡單，其工具箱中自帶有曲線/波形的控件工具，所以直接利用該控件即可。曲線/波形控件具有從左向右的平移功能。先對串口屏進行初始化，并定義字符串，拉低曲線。屏幕的整個橫向像素是0～240，正在呼吸時，即高電平觸發(fā)，向串口屏發(fā)送字符串，在液晶屏中上（像素的200處）的位置顯示“高波形”，沒有檢測到呼吸時，也同樣向串口屏發(fā)送字符串，在液晶屏中下（像素的100處）位置處顯示“低波形”。

2.3.3 AD轉(zhuǎn)換流程

使能芯片作用，產(chǎn)生時鐘信號，經(jīng)過通道選擇后，讀取值，再經(jīng)過比較后，輸出1個數(shù)字信號（圖5）。

圖5 AD模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序流程圖

3 結(jié)束語

本文針對睡眠呼吸暫停檢測儀，對儀器的原理學習、外觀設(shè)計和軟硬件實施進行了研究探索，主要實現(xiàn)了呼吸的方波波形的顯示，同時還有一項在人發(fā)生睡眠呼吸暫停時報警的功能。這使測量更加方便，簡潔。本儀器是以單片機為核心的，既降低了成本，又使用方便，而且測量準確，重復性好，具有較好的使用前景。

本研究雖然基本實現(xiàn)了能夠在睡眠中檢測到呼吸信號并進行監(jiān)護，但是還是存在一些問題。使用的呼吸信號檢測方法是音頻檢測法（即駐極體話筒），雖然其靈敏度高并且能夠檢測到呼吸信號，但很容易受到外界聲音的干擾，盡管在安靜的夜晚中可以很好地進行檢測，但若在一個嘈雜的環(huán)境中要進行實驗還是有一定困難的。另外，本次實驗是將傳感器放置在人的鼻孔中，對于一部分受試者來說可能會有所不適應，會感到難受，導致無法入睡，阻礙了實驗的進行，所以這也是以后需要克服的困難。并且要使儀器達到普遍適用的要求，還需要成千上萬的受試者參與實驗，驗證儀器的適用性，所以儀器的普遍性有待進一步驗證。